Kanadyjski reaktor jądrowy CANDU

Kanadyjski reaktor jądrowy CANDU

CANDU fonetycznie w jęz. angielskim znaczy da się zrobić, a technicznie kanadyjski reaktor na wodę ciężką i uran. Erę narodzin i rozwoju CANDU po II wś. żywił pionierski pragmatyzm, duch współpracy międzydyscyplinarnej i dążenie do doskonałości, dając szanse każdemu, kto się czuje na siłach i chce. Nacisk na pokojowe wykorzystanie atomu, w odróżnieniu od sojuszników w wojnie, USA, W. Brytanii i Francji, dał Kanadzie zasłużone uznanie i szacunek świata.
Od 1941 r., gdy George C. Laurence zbudował jeden z 1-ych w świecie reaktorów atomowych w laboratoriach w Ottawie, Kanada jest w czołówce najbezpieczniejszych,  najwydajniejszych reaktorów świata, CANDU. Ma 4 siłownie w tym systemie, w tym największa w świecie, Bruce. Siłownie A pokrywają ok. 15% popytu na prąd w Kanadzie, ok. 50% w Ontario. Kraj nie ma broni atomowej i eksportuje reaktory, które nie produkują plutonu. Ma z tego pokaźny dochód, ale i nuklearne odpady i radioaktywny szmelc.
Do 2009, Kanada przodowała w kopalnictwie uranu, z którego produkuje się paliwa nuklearne i bomby A. W 2009 Kanada pokrywała 20% światowego zapotrzebowania na uran, w tym 14,5% z jednej kopalni w Saskatchewan.
Początki w Chalk River
W Dolinie Rzeki Ottawy leży kolebkę kanadyjskiej atomistyki – Chalk River Labs (CRL) 180 km od stolicy. Tu urodził się uważany za jeden z najbezpieczniejszych i najwydajniejszych na świecie reaktor CANDU – jedno z 10 najwyższych osiągnięć technicznych kraju. Niedaleko, w Rolphton, stoi do dziś wygaszony pierwszy komercyjny CANDU małej skali (NPD, 20 MW, 1962-1987) . Długo po wprowadzeniu większego CANDU, służył próbom paliw, materiałów, komponentów i instrumentacji oraz szkoleniu załóg CANDU w Kanadzie i za granicą.
CRL powstało (1942) ze wspólpracy z Brytyjczykami w laboratorium w Montrealu. CRL powstał w 1944 r., a we wrześniu 1945 r. funkcjonował już tam 1-szy reaktor rozszczepialny poza USA – ZEEP. Do powodzenia projektu znacznie przyczynił się Żyd pochodzenia polsko-ukraińskiego, Lew Kowarski. Z czasem, CRL zbudowało kilka reaktorów różnego typu i wielkości, z których obecnie funkcjonują badawcze: NRU (135 MW) z wiązką neutronową produkuje izotopy medyczne i ZED-2 (200 W) na ciężką wodę.
Profesor na U. McMaster, Bertram Brockhouse dostał (1994) nobla w fizyce za spektrometrię neutronową w CRL (1950-1962). Dyrektorem CRL był kiedyś laureat nobla, Sir John Cockcroft. CRL produkuje 1/3 światowego zapotrzebowania na radioizotopy dla medycyny. Od 1952 r. właścicielem CLR jest firma rządowa Atomic Energy of Canada Limited (AECL); produkuje w CRL izotopy dla medycyny i nauki światowej.
Kanada nieprodukuje broni A, lecz CRL dostarczyło USA (1955-1976) ok. 250 kg plutonu w formie zużytego paliwa nuklearnego, do produkcji broni atomowej. (Bomba zrzucona na Nagasaki użyła 6,4 kg plutonu.)

Energetyczna przyszłość Kanady?  Zaawansowany CANDU, ACR-1000 (1200 MW) jako jedyny w świecie reaktor generacji III+, przeszedł (grudzień 2010) przedprojektową atestację przez kanadyjską bezpiekę radiologiczną (CNSC). Doświadczenia z rozwoju ACR-1000 stosują się do EC6 i CANDU starszej generacji.

Matka wynalazku CANDU
Kiedy po II wś. mocarstwa eksperymentowały z reaktorami militarnymi do produkcji plutonu i napędu okrętów, Kanada postawiła na reaktor energetyczny. Podczas II wś. alianci wyznaczyli Kanadę na zbadanie potencjału reaktorów na ciężką wodę. Pochłania znacznie mniej neutronów niż woda lekka (zwykła), toteż można zastosować z nią paliwa z naturalnego uranu. Reaktor atomowy był wyjściem z powojennych niedoborów energii elektrycznej w Europie. Zaś USA poszło drogą najmniejszego oporu, modyfikując reaktor dla marynarki – kocioł ciśnieniowy na wodę, opalany wzbogaconym uranem. Kanada miała węgiel z USA i niepotrzebowała reaktorów wojskowych. Energię A brała za niezależne rozwiązanie energetyczne pod warukiem, że będzie tańsza od konwencjonalnej, tj. nie na uran wzbogacony. George Laurence zaczął lansować (1950) reaktor energetyczny na naturalny uran i ciężką wode – dziedziny opanowane w Kanadzie. Bennet Lewis opracowal koncepcję  (1951) w oparciu o ekspertyzę CRL :

• ciężka woda jako moderator reakcji łańcuchowej w naturaknym uranie,
• paliwo w powłoce cyrkonowej przeciw wysokim ciśnieniom i temperaturom (z doświadczeń dla marynarki USA w reaktorze NRX),
• maszynowe ładowanie paliwa bez przerywania pracy rdzenia (technika w nowym reaktorze CRL, NRU).

Zamiast ogromnego kotła ciśnieniowego, jakiego ówczesny przemysł kanadyjski nie mógł wyprodukować, rdzeń był skonstruowany z setek poziomych rur niskociśnieniowych (calandria, np. 380 rur w CANDU-6), otoczonych moderatorem (wodą ciężką). W nich tkwiły rury ciśnieniowe wypełnione paliwem, przez które przepływała ciecz chłodząca (też ciężka woda), odbierając ciepło do wytwornicy pary. Przestrzeń między rurą ciśn. a rurą nieciśn. calandrii wypełniał gaz izolacyjny, żeby nieogrzewać moderatora.

Schemat cieplny reaktora CANDU, jednego z najbezpieczniejszych i najwydajniejszych na świecie i jednego z 10 najwyższych osiągnięć technicznych Kanady. Kolor żółty i pomarańczowy – główny obieg ciężkiej wody, niebieski i czerwony – wtórny obieg lekkiej wody. Kolor różowy – moderator ciężkowodny w rdzeniu reaktora. W rdzeniu częściowo zanurzone pionowe pręty moderujące reakcję nuklearną.

Wiązki prętów paliwowych dla CANDU. Pręty dłg. 0,5 m zawierają materiał rozszczepialny w osłonie cyrkonowej, uchwycone po 37 prętów w wiązki o średnicy 10 cm. 12 wiązek wypełnia rurę ciśnieniową dłg. 6 m, wewnątrz rury calandrii. Przez rurę ciśnieniową przepływa między odstępami prętów nośnik ciepła (woda ciężka, ale może być np. olej roślinny), skąd płynie do wytwornicy pary dla turbiny, napędzającej generator prądu. Wiązki dla CANDU niestwarzają problemu masy krytycznej i spontanicznej reakcji łańcuxhowej.

Koncepcję naukową przekształcili w projekt Harold Smith i John Foster. Inni dostarczyli ekspertyzy kierowniczej, koordynacyjnej i administracyjnej. Zadanie wymagało nowej struktury i powstało AECL (kwiecień 1952). Lewis zainicjował (1954) projekt prototypu reaktora energetycznego (o nazwie NPD, 22 MW) w kooperacyjnej grupie AECL, Ontario Hydro (operator elektrowni w prowincji) i firmy Canadian General Electric Company. W badaniach i rozwoju uczestniczyło tys. uczonych, inżynierów i techników, skupionych na zwartym terenie CRL, co ułatwiło kooperację międzydyscyplinarną we wspólnym celu: zbudować prototyp ciężkowodnego reaktora na uran naturalny, konkurencyjnego dla elektrowni węglowych.
Miejsce budowy wybrano w pobliżu elektrowni wodnej k. Rolphton. Projektowanie i budowa postępowały równolegle. Zmiany w ostatniej chwili ukształtowały system CANDU. Najważniejsza z nich (1957), przeprojektowała rdzeń z jednego kotła ciśnieniowego, jak w systemach USA, na układ wielu rur poziomych (calandria), typowych dla CANDU. Dzięki temu NPD został 1-ym komercyjnym reaktorem energetycznym z paliwem wymienialnym podczas eksploatacji na pełnej mocy.
Po II wś. sądzono, że rudy uranowe są rzadkością; totez Lewis proponował chemiczną obróbkę zużytego paliwa, by wykorzystać uran i pluton. Kwalifikuje to CANDU do użycia rozmaitych paliw: od rudy uranowej, przez uran zubożony, po zużyte pręty paliwowe z in. systemów oraz pluton, uran i in. izotopy z odzysku.

CANDU pracuje na kilku typach paliw. Kopaliny nuklearne: (1) tor (zasoby światowe kilka razy większe od uranu), (2) uran naturalny, (3) uran lekko wzbogacony. Odpady nuklearne: (1) zubożony uran ze wzbogacania uranu, (2) aktynowce ze zużytego paliwa. Odzysk: (1) pluton ze zużytego paliwa + zubożony uran (MOX), (2) uran ze zużytego paliwa + zubożony uran, (3) uran ze zużytego paliwa z reaktorów na wodę lekką.

W Kanadzie jest w użyciu 17 reaktorów CANDU (+ 3 w remoncie i 5 wycofanych). In. kraje używają w sumie 12 CANDU: Płd. Korea 4, Chiny 2, Indie 2, Argentyna 1, Pakistan 1, a Rumunia 2 (+ 3 w przerwanej budowie). Indie mają 13 reaktorów własnego projektu wzorowanego na CANDU po tym, gdy zdetonowały bombę A i Kanada zerwała współpracę.
Są jednak “ale”
Wiele CANDU w Kanadzie napotkało na pokaźny wzrost kosztów budowy. Natomiast 2 reaktory CANDU (EC6) w Kinszan w Chinach ukończono 4 mies. przed terminem (2003), nieprzekracając kosztorysu projektu. Wygląda to więc na kwestię polityki, planowania i kierowania.
CANDU wygląda bezpiecznie i czysto na papierze. Jednak jak każdy zakład jądrowy, mały czy duży, generuje odpady atomowe i wycieki tzw. eksploatacyjne, których z uwagi na normy zaniżone przez lobby A, nie potrzeba zgłaszać, żeby niealarmować publiki. Tymczasem każda z dawek zagraża zdrowiu, bo akumulują się w organizmie. Od początku ery A, tzw. radiacja o niskim natężeniu zabiła ponad 60 mln osób na raka oraz ok. 4 mln niemowląt i płodów, a okaleczyła chorobami na całe życie setki mln. W otoczeniu mamy już globalnie zwiększoną radiację od prób atmosferycznych po II wś., katastrof zakładów jądrowych w ZSRR, USA, W. Brytanii i Japonii oraz od broni uranowej stosowanej nonszalancko przez NATO i Izrael.
Poza wiecznym magazynowaniem w tzw. bezpiecznych warunkach (tzn. w końcu wycieki do wody gruntowej, gleby i atmosfery), nie ma rozwiązania dla problemu zużytego paliwa. Będzie przez tysiące lat zagrażać zdrowiu i życiu człowieka jak i środowisku naturalnemu. Mimo ogromnych przestrzeni w Kanadzie i granitowej Tarczy Kanadyjskiej, w  głębiach której możnaby wyciąć grobowce dla nuklearnej spuścizny, nie ma gmin chętnych do samobójstwa.
†††

Czytaj także:

• O tuszowaniu przez lobby A – lekcje z Kanady dla Polski

• Atomowa Kanada